Influencia de la Mineralogía en la Durabilidad de las Rocas Blandas

macla nº 15. septiembre 2011
revista de la sociedad española de mineralogía
125
Influencia de la Mineralogía en la
Durabilidad de las Rocas Blandas: Aplicación
a Taludes en Gipuzkoa
/ JOAN MARTINEZ-BOFILL (1,3,*), ALBERT SOLER GIL (2), ESPERANÇA TAULER FERRÉ (2), JORDI COROMINAS
DULCET (1), NEUS OTERO PEREZ (2), JORDI AGELET CANO (2)
(1) Departament d’Enginyeria del Terreny. Escola Tècnica Superior d’Enginyers de Camins, Canals i Ports de Barcelona. Universitat Politècnica de
Catalunya. C. Jordi Girona, sn. Barcelona (España)
(2) Departament de Cristal·lografia, Mineralogia i Dipòsits Minerals. Facultat de Geologia. Universitat de Barcelona. C/Martí Franquès, sn.
Barcelona (España)
(3) Geomar Enginyeria del Terreny, SLP. C. València, 1 subsòl local 12. 08015. Barcelona (España)
INTRODUCCIÓN.
Los taludes excavados en las carreteras
y vías que cruzan rocas arcillosas o
blandas experimentan procesos de
degradación de forma más o menos
rápida. Este hecho tiene una incidencia
económica
en
las
labores
de
mantenimiento de la red viaria y
también sobre la seguridad de la
misma.
Las rocas arcillosas son el tipo más
común de rocas sedimentarias. Este tipo
de rocas pueden ser denominadas de
maneras muy diversas como argilitas,
limolitas o margas, y representan cerca
de dos tercios de la columna
estratigráfica (Blatt, 1982). Este trabajo
surge a raíz de la observación de
patologías en taludes de carretera
excavados en rocas arcillosas o rocas
blandas.
En nuestra geografía se presentan con
frecuencia alternando con bancos de
areniscas y calizas. Las argilitas y
limolitas pueden tener contenidos
variables de fracción arena y de
carbonato de calcio y de magnesio. Por
este motivo, existe una gradación con
las areniscas (wackes, grauvacas,
arcosas y areniscas) y con las calizas
(lutitas calizas, margas y calizas
arcillosas). No existe, sin embargo, una
clasificación completa y coherente que
relacione
las
argilitas,
limolitas,
fangolitas y margas entre si, teniendo en
cuenta la fracción arena y el cemento, ni
que las relacione con las calizas y
areniscas (Martinez-Bofill et al., 2008).
La falta de consenso y de criterios bien
establecidos es aun más evidente en la
clasificación de las rocas blandas y
evolutivas, que contienen fracciones
importantes de minerales arcillosos.
El objetivo del presente trabajo es
identificar
las
características
mineralógicas y texturales que condicionan la alterabilidad de las rocas
arcillosas en taludes. Los resultados
aquí expuestos forman parte del
“Proyecto de investigación sobre la
degradación de los taludes en rocas
blandas. Aplicación a los desmontes
entre los P.K. 413,065 y 414,650 de la
N-I y entre los P.K. 3,700 y 4,710 de la
GI-632”, en los municipios de Idiazábal y
Ormaiztegi, financiado por la Dirección
Foral de Guipúzcoa. Estos taludes están
situados
en
la
zona
climática
denominada vertiente atlántica del País
Vasco.
METODOLOGÍA.
Se han obtenido 25 muestras a partir de
testigos de sondeo de 86 mm de
diámetro, obtenidos mediante sonda
geotécnica montada sobre orugas. Los
testigos han sido sellados y parafinados
en el campo una vez extraídos con el fin
de preservar las condiciones iniciales.
Se ha caracterizado la durabilidad de las
muestras utilizando el ensayo Slake
Durability Test (SDT). Este es el ensayo
de referencia de la ISRM para
caracterizar la durabilidad de las rocas
(ISRM, 1981) el cual ha sido modificado
de acuerdo con (Martínez-Bofill et al.,
2004). Consiste en medir el porcentaje
de material que se pierde a través de un
bombo cilíndrico, cuyas paredes
laterales están formadas por una malla
metálica con abertura normalizada de 2
mm. El tambor se sumerge en agua
hasta la mitad de su eje, y se somete a
rotación durante 10 minutos a una
velocidad de 20 rpm. El porcentaje de
material retenido corresponde al índice
de durabilidad del material para cada
ciclo de ensayo. En nuestro caso se han
realizado cinco ciclos de durabilidad
sobre cada muestra. Se han realizado
palabras clave: Mineralogía, Durabilidad, Cementación, Rocas
Blandas
resumen SEM 2011
ensayos SDT sobre tres grupos
muestras: a) muestra intacta,
muestra envejecida en 15 ciclos
congelación, c) muestra envejecida
15 ciclos de humectación.
de
b)
de
en
Las muestras han sido caracterizadas
mineralógicamente y químicamente
mediante microscopia óptica en lámina
delgada, Fluorescencia de rayos X,
Difracción de rayos X según el método
de polvo (DRX) y agregados orientados.
Las fases minerales se han cuantificado
mediante el ajuste del perfil según el
método de Rietveld.
Así mismo,
también se ha determinado el contenido
en carbonato mediante calcimetría de
Bernard. Se ha determinado el volumen
de poros mediante porosimetría de
adsorción de nitrógeno, con el método
BJH, y la densidad en picnometria de
helio. De la relación entre el volumen de
poros y el volumen de las muestras se
obtiene la porosidad de las mismas.
Finalmente, se ha estudiado la textura y
mineralogía
de
muestras
representativas mediante microscopía
electrónica de barrido con analizador de
energías dispersivas (SEM-EDS).
RESULTADOS.
Las formaciones rocosas aflorantes en
los taludes de las variantes de Idiazábal
y Ormaiztegi consisten en la alternancia
de argilitas-limolitas con limolitas y
areniscas-calizas, según la clasificación
de campo. La clasificación petrográfica
indica que se trata de materiales
detríticos, que corresponden a wackes
arcillosos
y
wackes
arenosos,
respectivamente. Los primeros son los
más abundantes, representando más
del 70% de los materiales aflorantes en
los desmontes.
En la Tabla 1, se presenta la
composición mineralógica de las
muestras obtenida mediante análisis
key words: Mineralogy, Durability, Cementation, Weak Rocks
* corresponding author: [email protected]
126
cuantitativo por DRX. Se han dividido las
fases minerales en tres grupos que son:
esqueleto
detrítico,
cemento
carbonatado y matriz arcillosa de
filosilicatos. Dentro de la fracción
esqueleto se han sumado los contenidos
de cuarzo y feldespatos. En la fracción
cemento carbonatado se han sumado
las proporciones correspondientes a
calcita y ankerita. Estos minerales están
íntimamente mezclados con la matriz
fina arcillosa, y en algunos casos se
observa como cementan a la fracción
detrítica. Finalmente la tercera parte
está formada por los filosilicatos
presentes en la muestra, que
constituyen la matriz arcillosa.
En todas las muestras analizadas se ha
detectado
la
presencia
de
illita/moscovita como fases principales
en la matriz arcillosa, con un claro
predominio de la moscovita, así como la
presencia de clorita férrica (chamosita)
en muy baja proporción. En menor
proporción se ha detectado la presencia
de un interestratificado illita-esmectita
en las muestras en forma de agregado
orientado que no se ha podido
cuantificar.
El estudio de la porosidad indica que la
porosidad efectiva de la mayor parte de
las muestras es baja, con valores
comprendidos entre el 0,28 y 0,85%.
Tan solo en dos muestras se ha
obtenido un valor de porosidad mayor
de 2,13 - 2,14%.
El estudio de las muestras mediante
SEM-EDS ha puesto de manifiesto que la
cantidad de cemento es baja, pero que
aún así, este consigue interpenetrar
entre los poros, ligando de forma
relativamente efectiva los granos de
cuarzo y también los filosilicatos (Fig. 1).
macla nº 15. septiembre 2011
revista de la sociedad española de mineralogía
MUESTRA
cuarzo
∑ feldespatos
∑ filosilicatos
∑ carbonatos
% en peso
% en peso
% en peso
% en peso
IM-2
28.1
1.2
51.2
19.5
IM-3
30.7
0.6
49.6
19.1
IM-5
34.1
2.2
47.6
16.2
IM-6
34.4
1.5
47.4
16.8
IM-8
35.4
2.3
48.2
14.2
IM-9
29.7
1.8
52.7
15.8
IM-11
36.0
2.1
47.5
14.4
IM-12
30.9
2.5
49.3
17.4
IM-13
33.8
0.0
49.9
16.4
IM-15
39.7
1.4
39.9
19.1
IM-16
30.4
1.8
53.8
14.1
IM-17
50.4
2.5
31.7
15.4
IM-18
29.1
2.0
59.9
8.9
OM-2
34.6
2.9
41.6
20.9
OM-4
28.9
1.9
54.3
14.9
OM-5
29.2
1.1
40.5
29.3
OM-6
33.9
1.7
48.0
16.7
OM-8
33.3
3.1
47.3
16.4
OM-9
27.1
3.6
49.6
19.7
OM-10
29.9
1.7
51.5
16.9
OM-12
35.2
2.9
50.3
11.5
OM-13
30.8
1.9
50.3
17.1
OM-15
34.8
2.5
53.7
9.0
OM-18
57.5
6.2
23.9
12.4
OM-19
33.8
2.7
51.7
11.8
Tabla 1. Análisis mineralógico cuantitativo por DRX de las fases minerales
a medio plazo de las rocas aflorantes en
los taludes excavados. Las rocas no se
descomponen completamente para dar
arcilla o limo, sino que se fisuran para dar
fragmentos prismáticos y lajas.
tiene una proporción mayor de fracción
arcillosa y por tanto con una menor
cementación. La porosidad no parece
tener influencia en la durabilidad de las
muestras.
El índice de durabilidad (Id) determinado
mediante SDT indica que todas las
muestras sin excepción tienen un Id del
segundo ciclo (Id2) por encima del 90% y
15 de ellas, más de las dos terceras
partes, superior al 95% poniendo de
manifiesto un comportamiento durable de
los materiales. Sólo una de las muestras
(IM-13) tiene un valor inferior al 80% en el
quinto ciclo (Id5). Los resultados del Id5
de las muestras envejecidas mediante
ciclos de congelación y deshielo dan lugar
a una separación más evidente de los
comportamientos. Así, las muestras con
mayor propensión a la degradación son
aquellas que combinan un elevado
contenido de matriz arcillosa con
porcentajes de cemento y esqueleto
granular más bajos. Este conjunto de
muestras corresponden, en general a
wackes arcillosos.
Los resultados del ensayo SDT sobre
muestras envejecidas en ciclos de
hielo-deshielo reflejan
mejor
la
durabilidad de las muestras.
CONCLUSIONES.
fig 1. Imagen de BSE-SEM de cemento de calcita
(Cc) y anquerita (Ank) ocupando la porosidad y
ligando los granos de cuarzo (Qz) y moscovita (Ms)
de tamaño limo.
La mayor parte de las muestras de
argilitas y limolitas (wackes y wackes
arcillosos) presentan un grado de
alterabilidad moderado que se traduce
en la fisuración y lajamiento progresivo
La baja durabilidad de los materiales
estudiados viene dada por a) una baja
tasa de cementación por calcita y/o
ankerita y b) una proporción importante
de moscovita e illita que puede llegar a
ser mas del 50 en peso en algunas
muestras y la presencia de interestratificados
illita-esmectita.
Las
muestras menos durables son las que
AGRADECIMIENTOS.
Los autores agradecen a la Diputación
Foral de Gipuzkoa la financiación de los
trabajos expuestos.
REFERENCIAS.
Blatt, H (1982): Sedimentary petrology: WH
Freeman & Co. San Francisco, 564 p.
ISRM (1981): In: Brown, E.T. (Ed) ISRM
Suggested
methods:
Rock
Characterization, Testing & Monitoring.
Pergamon Press, London 211 p.
Martinez-Bofill, J, Corominas, J, Soler, A.
(2004): Behaviour of the weak rock
cutslopes and their characterization using
the results of the Slake Durability Test. in
“Lecture Notes in Earth Sciences. 104.
Engineering Geology for Infrastructure
Planing in Europe”, 405-413.
Martínez-Bofill, J., Corominas, J. Soler, A.
(2008): Analysis of the relationship
between durability and petrological
characteristics of weak rocks. Euroengeo.
Proceedings of the II European
Conference of International Association
for Engineering Geology. Madrid.